信号口浪涌防护电路设计(2)

2018-12-23 00:03

3、 指示灯控制电路的限流电阻应放在控制芯片侧,位置靠近控制芯片,防止过电压直接对控制芯片造成冲击。

4、 以太网信号线按照差分线走线规则,保证阻抗匹配,并且一对差分线的长度尽量一样长。

5、 如果变压器前级(靠RJ45接头侧)有中间抽头并且采用Bob-Smith电路,即75Ω电阻加一个1000pF的接PGND的电容。建议电容选取耐压大于DC2000V,电阻功率建议选择1/10W的单个电阻,不宜采用排阻。

6、 一个以太网接口采用一个Bob-Smith电路,避免将多个以太网接口的Bob-Smith电路复接在一起。

7、 对于PCB层数大于6层的单板,由于相邻层的绝缘材料小于12mil,因此高压线和低压线不应布在相邻层,更不应交叉或近距离并行走线。

8、 由于通过变压器的隔离特性完成共模防护,所以高压信号线(差分线和Bob-Smith电路走线)和其它信号线(指示灯控制线)、电源线、地线之间应该保证足够的绝缘,不存在意外的放电途径。

最后,要达到高压区与低压区之间有效的隔离,就要重视二者之间的PCB走线设计。在高压区,带高压的可能有:连接器管脚、布线、过孔、电阻焊盘、电容焊盘。带低压的可能有:布线、过孔、电阻焊盘、螺钉。对于相同的绝缘距离,耐压能力依次为接地螺钉 < 电容、电阻焊盘 < 走线过孔 < 表层走线 < 内层走线,因此当共模防护指标一定时,高压部分与低压部分的绝缘距离应该为接地螺钉 > 电容、电阻焊盘 > 走线过孔 > 表层走线 > 内层走线。这是因为螺钉整个为金属体,暴露面积比较大,容易成为放电通路。电容和电阻焊接两端表面为金属,同时由于形状为长方体,有棱角,很容易形成尖端放电。过孔在网口部分有很多,表面是亮锡的,也容易产生击穿放电,但与电阻和电容焊接两端相比较,金属面积相对就小一些。PCB板的表层走线涂有绝缘绿油,内层的走线有介质包围,相对上面几种,耐压能力就应该高一点。

在设计中,根据具体产品要求的抗浪涌等级,利用表7-1中的数据,就可以推算出PCB设计需要控制的各种绝缘距离。表7-1给出了在浪涌防护等级是4kV的时候,PCB设计要达到的安全绝缘距离。

高压 低压 连接器 管脚 线 过孔 焊盘(电容、电阻) 线 过孔 螺钉 20mil ―――― ―――― 20mil 20mil 40mil 20mil 40mil 120mil 33mil 53mil 120mil 表1 PCB设计安全绝缘距离数据(按照4KV耐冲击进行计算)

综上所述,采用图2的防护电路,通过良好的器件选型和PCB设计,可以实现共模2kV(1.2/50us,最高可达4kV),差模0.5kV(1.2/50us)的防护能力。它可以应用于绝大多数室内走线的情况,特别是对于接入和终端设备,在实际使用中以太网线不采用屏蔽电缆,而且安装使用长度大于50米,在网口的防护电路设计过程中宜对以上问题加以重视。

对于网口的防护,除了采用以上的图1和图2中的两种电路外,还有利用RJ45接头管脚前端放电设计、利用变压器中心抽头空气放电设计和利用变压器中心抽头采用放电管放电设计等防护方式,特点均是利用绝缘放电实现防护、成本低、PCB占用空间小。

SFU&HGU网口共模保护

变压器隔离 高压电容 SMITH电路走线20mil宽 MDU网口共模保护

线路侧中心抽头对保护地加压敏电阻或放电管 线路侧网线加三端子放电管 网口差模保护

MDU:线路侧GDT+电路侧TVS SFU&HGU:电路侧TVS

中国电信要求:

MDU设备电源口应具备4KV(差模和共模)防护能力;用户端口应提供1.5KV(差模和 共模)防护能力。

SFU/HGU设备的电源端口应具备4KV(差模和共模)防护能力;用户接口应具备0.5KV

(差模和共模)防护能力。

对差模浪涌,不外加保护就依赖于网络接口器件本身的固有防护能力 不同的PHY芯片

或SWITCH芯片本身固有的防护能力不同,不能一概而论 ,有些需要加,有些不需要 ,需要验证的。

从测试实践中得知:

RTL8204B,不加差模保护的TVS,可以通过1000V、 42欧姆 、1.2/50波形浪涌测试 RTL8114,则必须加BV03CW,才可以通过1000V、 42欧姆、 1.2/50波形浪涌测试 B50612不加TVS只能过500V , 要过1000V需要加TVS:BV03CW

SD5115H, 不加TVS只靠自己的内在保护不能达到500V差模防护,必须加BV03C才能过500V,要过1000V,必须加BV03CL

BCM68380/BCM68380F/BCM68385,需要加BV03CW才能通过差模500V测试。

BV03C 寄生电容较大,只能用于FE;BV03CW用于GE;现已统一采用BV03CW BV03CL是350W的,与150W的BV03C和BV03CW封装一样,但还没有料号。

网口共模浪涌测试,一般是8线同时对地;但K.21里规定是单线分别对地测试,同时对地还是分别对地测试共模,对普通网口没有差异,对POE有差异,POE防护设计时需要注意这一点。

灯线隔离问题

带灯的RJ45,灯线走线远离放电管或压敏电阻,远离网线;先保护后滤波

1.2 用户口防雷电路 1.2.1 模拟用户口(Z口)防雷电路 1.2.1.1 有配线架一级保护

对于局端设备,一般前面有配线架的一级保护,使用时向线路输出馈电和铃流信号,选用保护器件的动作电压要考虑馈电和铃流有效值的叠加,同时要满足电力线碰触试验的要求,接口防护电路可参照图3进行设计。

图3 有一级保护的模拟用户口防护电路

PTC采用55Ω的值,放在电路前面用于过流保护。RV是击穿电压为220V的压敏电阻,进行共模保护,压敏电阻要有一定的通流能力,一般选直径为Φ7的器件,能抵抗电力线碰触时的短时过电流(PTC动作之前)。VD用于对音频接口的保护,采用TSS管Tisp61089DR,该芯片为击穿电压可控制TSS管,一般采用馈电电压来作为TSS管的触发参考电平。该防护电路可以满足ITU-T K.20标准的测试指标要求。

1.2.1.2 无配线架一级保护

对于远端小型网络设备或终端设备,通常情况前面没有配线架的一级保护,使用时接受局端发送过来的馈电和铃流,此时防雷量级要大,同时也要满足电力线碰触的测试要求,防护电路可以按照图4和图5设计。

(1) 使用时向线路输出馈电和铃流信号,接口防护电路可参照图7-18进行设计。

图4 无一级保护的模拟用户口防护电路(向线路输出馈电和铃流信号)

由于PTC耐冲击过电压和过电流能力不高,因此此时不能将PTC放在电路的最前面。电路的前级G1可以采用通流能力10kA(8/20us),击穿电压较高的三极气体放电管,也可采用三只直流击穿电压为360V的压敏电阻S14K230进行差模和共模保护。选用比较高击穿电压的保护器件,主要是确保在电力线碰触(最大230Vac)时,过压保护器件不应动作,同时也应考虑保护器件的离散性,而通常气体放电管具有较大的离散性,其波动最高可达到器件手册给出的正常参数的30%。采用放电管的优点是占用PCB板面积小,缺点是残压大,而采用压敏

电阻正好相反。 PTC采用55Ω的值。 VD用于对音频接口的保护,采用TSS管Tisp61089DR,该芯片为击穿电压可控制TSS管,一般采用馈电电压作为TSS管的触发电平。该电路可以满足YD5098-2001标准的3KA(8/20us)冲击电流要求。

(2) 使用时接受局端发送过来的馈电和铃流,接口防护电路可参照图7-19进行设

计。

图5 无一级保护的模拟用户口防护电路(接受局端发送过来的馈电和铃流) 对于设备有保护接地端子,需要考虑差模、共模的防护;若设备是不导电的塑料外壳,没有保护接地端子,共模的绝缘耐压很高,此时只需考虑差模保护。

电路的前级G1可以采用通流能力10kA(8/20us),击穿电压较高的三极气体放电管,也可采用三只击穿电压为360V的压敏电阻S14K230进行差模和共模保护。采用放电管的优点是占用PCB板面积小,缺点是差模残压大,而采用压敏电阻正好相反。 PTC采用10Ω的值。后级RV采用击穿电压为82V的压敏电阻,进行差模保护(铃流检测电路和信号电路是通过摘挂机开关分开的,铃流不会影响后级保护器件动作),该位置的保护器件也可以采用TSS管。该电路可以满足YD5098-2001标准的3KA(8/20us)冲击电流要求,同时也能达到ITU-T K.21标准的测试指标要求。

1.2.2 数字用户口(U接口)防雷电路 1.2.2.1 有配线架一级保护

对于局端设备,一般前面有配线架的一级保护,使用时向线路输出远供电压,选用保护器件的动作电压要考虑远供的电压要求,同时要满足电力线碰触试验的要求,此时接口的保护可以采用图6所示的电路。


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